Том 25 № 1 2023 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативно-библиографических и наукометрических базах данных Web of Science и Scopus. WEB OF SCIENCE
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Рябошук С.В., Ковалев П.В. Анализ причин образования дефектов заготовок из стали 12X18H10T и разработка рекомендаций по их устранению............................................................................................... 6 Лапшин В.П., Моисеев Д.В. Определение оптимального режима обработки металлов при анализе динамики систем управления резанием........................................................................................................ 16 Гимадеев М.Р., Ли А.А., Беркун В.О., Стельмаков В.А. Экспериментальное исследование динамики процесса механообработки концевыми сфероцилиндрическими фрезами.................................................. 44 Братан С.М., Часовитина А.С. Моделирование взаимосвязей между входными факторами и выходными показателями процесса внутреннего шлифования с учетом взаимных колебаний инструмента и заготовки.......................................................................................................................................................... 57 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Подгорный Ю.И., Кириллов А.В., Скиба В.Ю., Мартынова Т.Г., Лобанов Д.В., Мартюшев Н.В. Синтез механизма привода технологической машины непрерывного действия......................................... 71 Лобанов Д.В., Рафанова О.С. Методика критериального анализа мультивариантных систем............... 85 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов А.Г., Бобылёв Э.Э., Попов Р.А. Особенности формирования диффузионных покрытий, полученных комплексной химико-термической обработкой конструкционных сталей......................... 98 Филиппов А.В., Хорошко Е.С., Шамарин Н.Н., Колубаев Е.А., Тарасов С.Ю. Исследование свойств сплавов на основе кремниевой бронзы, напечатанных с применением технологии электронно-лучевого аддитивного производства................................................................................................................................ 110 Лысых С.А., Корнопольцев В.Н., Мишигдоржийн У.Л., Хараев Ю.П., Тихонов А.Г., Иванцивский В.В., Вахрушев Н.В. Влияние продолжительности боромеднения на толщину диффузионного слоя и микротвердость углеродистых и легированных сталей..................................................................... 131 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 149 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 159 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 10.03.2023. Выход в свет 15.03.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 20,0. Уч.-изд. л. 37,2. Изд. № 46. Заказ 91. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 1 2023 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. WEB OF SCIENCE
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 1 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Ryaboshuk S.V., Kovalev P.V. Analysis of the reasons for the formation of defects in the 12-Cr18-Ni10-Ti steel billets and development of recommendations for its elimination............................................................... 6 Lapshin V.P., Moiseev D.V. Determination of the optimal metal processing mode when analyzing the dynamics of cutting control systems................................................................................................................... 16 Gimadeev M.R., Li A.A., Berkun V.O., Stelmakov V.A. Experimental study of the dynamics of the machining process by ball-end mills.................................................................................................................. 44 Bratan S.M., Chasovitina A.S. Simulation of the relationship between input factors and output indicators of the internal grinding process, considering the mutual vibrations of the tool and the workpiece................... 57 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Podgornyj Yu.I., KirillovA.V., Skeeba V.Yu., Martynova T.G., Lobanov D.V., Martyushev N.V. Synthesis of the drive mechanism of the continuous production machine......................................................................... 71 Lobanov D.V., Rafanova O.S. Methodology for criteria analysis of multivariant system................................ 85 MATERIAL SCIENCE Sokolov A.G., Bobylyov E.E., Popov R.A. Diffusion coatings formation features, obtained by complex chemical-thermal treatment on the structural steels............................................................................................ 98 Filippov A.V., Khoroshko E.S., Shamarin N.N., Kolubaev E.A., Tarasov S.Yu. Study of the properties of silicon bronze-based alloys printed using electron beam additive manufacturing technology................... 110 Lysykh S.A., Kornopoltsev V.N., Mishigdorzhiyn U.L., Kharaev Yu.P., Tikhonov A.G., Ivancivsky V.V., Vakhrushev N.V. The effect of borocoppering duration on the composition, microstructure and microhardness of the surface of carbon and alloy steels............................................................................................................. 131 EDITORIALMATERIALS 149 FOUNDERS MATERIALS 159 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 6 ТЕХНОЛОГИЯ Анализ причин образования дефектов заготовок из стали 12X18H10T и разработка рекомендаций по их устранению Сергей Рябошук a, *, Павел Ковалев b Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, ул. Политехническая, 29, г. Санкт-Петербург, 195251, Россия a https://orcid.org/0000-0002-1183-8445, ryaboshuk_sv@spbstu.ru, b https://orcid.org/0000-0003-1066-3812, kovalev_pv@spbstu.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 1 с. 6–15 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.1-6-15 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение В настоящее время нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т получила достаточно широкое распространение в энергетическом машиностроении вследствие её высоких коррозионных свойств, проявляющихся довольно в значительном интервале температур применения [1–5]. Этим объясняется необходимость повышения ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 62-4 История статьи: Поступила: 01 октября 2022 Рецензирование: 01 ноября 2022 Принята к печати: 19 декабря 2022 Доступно онлайн: 15 марта 2023 Ключевые слова: 12Х18Н10Т Дефекты Аустенит Межкристаллитная коррозия Мартенситная α-фаза Ферритная δ-фаза Нержавеющая сталь Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Аустенитная сталь марки 12Х18Н10Т получила широкое распространение, что обусловливается высокой коррозионной стойкостью и соответствующей возможностью использования в агрессивных средах. Можно выделить следующие наиболее распространенные виды дефектов стали данной марки: межкристаллитная коррозия, мартенситная ориентация α-фазы и ферритная δ-фаза. Цель работы: проанализировать причины образования дефектов заготовок из стали 12Х18Н10Т и разработать рекомендации по их устранению. Методы исследования. В работе проведены испытания образцов стали 12Х18Н10Т на стойкость к межкристаллитной коррозии, металлографический анализ дефектов. Осуществлены измерения твердости для различных степеней обжатия заготовок. Термодинамические расчёты фазового равновесия в многокомпонентной стали для различных температур выполнялись в программе Thermo-Calc. Результаты и обсуждение. Было определено, что для предотвращения межкристаллитной коррозии необходимо снизить содержание азота и углерода в стали на этапе внепечной обработки до 0,05 %, а также обеспечить концентрацию титана в стали не менее допустимого значения 0,3 %. Эти меры способствуют снижению карбидов хрома Cr23C6, ответственных за межкристаллитную коррозию. Для предотвращения появления ферромагнитной мартенситной α-фазы необходимо снижение степени обжатия заготовок до уровня не более 50 %, поскольку именно с высокой степенью обжатия при волочении связано образование данного дефекта. Высокотемпературная фаза δ-феррита существует в структуре металла в широком температурном интервале. Снижение этого диапазона до 100 градусов и менее путём оптимизации состава сплава по углероду и хрому в рамках ГОСТ 5632–2014 приводит к значительному снижению количества феррита. Однако полностью устранить его из структуры стали не представляется возможным. Для всех случаев необходимо назначение аустенизации заготовок в диапазоне температур 1050…1100 °С. Для цитирования: Рябошук С.В., Ковалев П.В. Анализ причин образования дефектов заготовок из стали 12X18H10T и разработка рекомендаций по их устранению // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 1. – С. 6–15. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.1-6-15. ______ *Адрес для переписки Сергей Владимирович Рябошук, старший преподаватель, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, ул. Политехническая, 29, 195251, г. Санкт-Петербург, Россия e-mail: ryaboshuk_sv@spbstu.ru качества заготовок, выполняемых из этой стали, в частности, особенно ответственных, используемых в агрессивных средах. В этой связи необходимо отметить, что тематика, связанная с изучением наиболее характерных дефектов изделий из стали 12Х18Н10Т и поиском рекомендаций, направленных на их устранение, является достаточно актуальной. Известно, что для стали марки 12Х18Н10Т наиболее характерны следующие основные дефекты структуры: межкристаллитная коррозия, наличие мартенситной α-фазы и δ-феррита [6–11]. Установлено, что межкристаллитная коррозия – это тип коррозии, за который ответственны
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 7 TECHNOLOGY карбиды хрома Cr23C6, выделяющиеся по границам аустенитных зёрен и способствующие снижению растворенного в матрице хрома до значений (менее 13 %), обеспечивающих локальное падение коррозионной стойкости [12–14]. Этот процесс интенсифицируется в течение длительных выдержек при температурах, соответствующих активному формированию карбида хрома, при этом коррозия распространяется в глубину зерна. Для снижения склонности стали марки 12Х18Н10Т к данному типу коррозии реализуются мероприятия по термической обработке заготовок (закалка, отжиг), а также оптимизации химического состава, закладываемого при выплавке и внепечной обработке жидкого расплава [15–17]. При работе в условиях пониженных температур или в процессе холодной пластической деформации в структуре нержавеющей стали может происходить формирование мартенситной α-фазы, сопровождающееся повышением магнитных свойств материала. Данный переход является нежелательным для аустенитной стали, для его предотвращения осуществляется оптимизация химического состава и параметров прокатки [7, 18]. Формирование ферритной фазы в исследуемой стали начинается в начале затвердевания расплава, при дальнейшем охлаждении δ-феррит растворяется в аустените. Ввиду значительных скоростей охлаждения слитков этот процесс, как правило, неполный. Даже после горячей пластической деформации в структуре металла присутствует остаточная ферритная фаза, ухудшающая магнитные свойства. Более того, снижаются пластичность и трещиностойкость стали [19, 20]. На сегодняшний день довольно широко используются методы термодинамического моделирования для оценки влияния химического состава материалов на количество и тип фазовых составляющих. Подобная информация позволяет уточнить рекомендации и мероприятия по повышению качества металлопродукции [21–23]. Цель работы: провести исследования структуры основных дефектов нержавеющей марки стали 12Х18Н10Т; выполнить термодинамическое моделирование сопутствующих фазовых превращений; на основе проведенных исследований и расчетов дать рекомендации по повышению качества металла – снижению его дефектности. Материалы и методики В рамках данной работы испытания стали марки 12Х18Н10Т на стойкость против межкристаллитной коррозии проводились согласно ГОСТ 6032–2017 «Стали и сплавы коррозионностойкие». С поверхности термообработанных образцов химическим травлением удалялась окалина, после этого образцы выдерживались в кипящем водном растворе сернокислой меди и серной кислоты в присутствии металлической меди. Время выдержки в зависимости от метода составляло 24 ч или 8 ч. После испытаний проводилось сгибание на 90±5° и осмотр на наличие трещин. Наличие трещин на образцах, изогнутых после испытания, и отсутствие трещин на изогнутых таким же образом контрольных образцах свидетельствовало о склонности стали к межкристаллитной коррозии. Подготовка к металлографическому анализу заключалась в последовательной шлифовке, полировке образцов из нержавеющей стали и электрохимическом травлении в 10 %-м водном растворе щавелевой кислоты. Для подготовки проб использовалось оборудование фирмы Buehler Ltd. При необходимости могла дополнительно осуществляться операция аустенизации образцов, а именно проводилась длительная выдержка в диапазоне 1000…1200 °С для снятия намагниченности и растворения ферритной фазы. Непосредственно металлографический анализ проводился при помощи микровизора μVIZOМЕТ-221. Измерение твердости по шкале Бринелля образцов нагартованного металла после холодной деформации осуществлялось при помощи твердомера ТБ 5015-01. Термодинамическое моделирование выполнялось при помощи программного продукта Thermo-Calc. Данный комплекс позволяет осуществлять расчеты равновесия многокомпонентных многофазных систем при различных температурных условиях для различных химических составов. В частности, строились температурные зависимости массы основных фазовых составляющих нержавеющей стали 12Х18Н10Т, таких как феррита, аустенита, жидкой фазы, а также карбидных и нитридных включений.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 8 ТЕХНОЛОГИЯ Результаты и их обсуждение Влияние содержания различных компонентов на образование межкристаллитной коррозии в нержавеющей стали Для выявления особенностей появления межкристаллитной коррозии проводилась оценка образцов нержавеющей стали по методике, описанной выше. Проводилась фиксация наличия дефектов для различных химических составов. Для каждого состава проводилось термодинамическое моделирование – оценивалось количество и термовременная природа формирующихся карбидных и нитридных фаз: карбонитридов титана TiCxNy и карбидов типа Cr23C6. Обнаружена и подтверждена взаимосвязь между повышенным количеством карбидов хрома и дефектностью исследуемой стали. Далее были осуществлены расчеты температурных зависимостей фазовых составляющих в широком диапазоне варьирования различных элементов стали 12X18H10Т (за исходный состав взят: C = 0,08 %, Cr = 18 %, Ni = 10 %, Mn = 1,5 %, Ti = 0,4 %). Наиболее значимыми стали такие элементы, как углерод и азот. На рис. 1 представлена характерная термовременная природа карбидных и нитридных фаз в исследуемой стали для диапазона изменения азота N = 0,05…0,10 %. При температурах около 1425 oС начинается процесс образования карбонитридов титана TiCxNy. Чем больше исходное содержание азота в стали, тем больше титана расходуется на формирование нитридной составляющей данной фазы и тем в меньшей степени титан связывает углерод в карбид. Таким образом, создаются условия для выделения данного углерода в виде карбидов Cr23C6. При значительном содержании азота (N = 0,1 %) карбиды хрома выделяются при 960 oС и достигают до 1,15 масс.%, при снижении азота до 0,05% температура образования падает на 100 oС и конечная масса составляет 0,4 масс.%. Металлографические исследования подтверждают, что при увеличении содержания азота наблюдается повышение массы карбидов хрома Cr23C6, провоцирующих межкристаллитную коррозию. Не вступая в прямое взаимодействие с хромом, азот косвенно увеличивает количество карбидных фаз, связывая титан. Содержание углерода закономерно существенно влияет на количество соединений Cr23C6. Так, с повышением содержания углерода увеличивается их масса и температура начала образования. Результаты расчетов показывают, что критическим значением является С = 0,05 %, при котором выделения карбидов не наблюдается, значительная часть углерода связывается с титаном. Таким образом, для минимизации появления дефектов, связанных с межкристаллитной коррозией, рекомендуется снижение азота и углерода до значений 0,05 % на этапе внепечной обработки жидкой стали. Рекомендуется также не снижать содержание титана в исследуемой стали менее 0,3 % в рамках допустимого марочного состава по ГОСТ 5632–2014. Рис. 1. Зависимость содержания карбидов хрома Cr23C6 и карбонитридов титана TiCxNy от содержания азота в стали: а – [N] = 0,05 %; б – [N] = 0,10 % Fig. 1. Dependence of the content of chromium carbides Cr23C6 and titanium carbonitrides TiCxNy on the nitrogen content in steel: a – [N] = 0.05 %; б – [N] = 0.10 % а б
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 9 TECHNOLOGY В случае выявления данного дефекта в структуре металла на этапе входного контроля необходимо осуществление операции аустенизации стали при температурах, уточняемых термодинамическим расчетом для конкретного состава и составляющих около 1050…1100 °С. Исследование причин возникновения мартенситной α-фазы Металлографический анализ мартенситной α-фазы осуществлялся на образцах из прутков стали 12Х18Н10Т, полученных после стадии волочения. Исследовались образцы с различной степенью проявления данного дефекта, параллельно фиксировались технологические параметры холодной деформации. Вычисления показывают, что в нержавеющих марках стали данного типа мартенсит формируется при отрицательных (по Цельсию) температурах, поэтому наиболее вероятно его деформационное происхождение. На рис. 2 представлен пример возникновения в металлургическом полуфабрикате такого мартенсита деформации. Измерения твердости металла показывают, что наличие мартенсита в структуре сопровождается значительным наклёпом – образцы имеют твердость около 370 НВ. Подобные значения соответствуют повышенным степеням обжатия стали при изготовлении прутков. Анализ технологических параметров показал, что при степенях обжатия более 50 % в процессе изготовления полупродукта наблюдается избыточное количество мартенситной α-фазы. Рис. 2. Возникновение мартенситной α-фазы в стали 12Х18Н10Т, пруток Ø4 мм Fig. 2. Occurrence of martensitic α-phase in steel 12-Cr18-Ni10-Ti, rod Ø4 mm Таким образом, появление данного дефекта в прутках из стали 12Х18Н10Т связано со стадией холодной деформации и возможно при превышении критической степени обжатия заготовки. При его формировании требуется назначение дополнительной стадии аустенизации металла. Исследование ферритной δ-фазы в стали марки 12Х18Н10Т Для изучения причин образования δ-фазы в стали 12Х18Н10Т исследовались образцы разной толщины. На рис. 3 показан пример микроструктуры прутка диаметром 3 мм в направлении волочения. Термодинамические расчеты показывают существование ферритной фазы в довольно широком интервале от 1250 до 1450 °С, зависящем от конкретного состава стали, в частности, содержания углерода, хрома, титана и других элементов. Этот диапазон может быть уменьшен путем снижения в стали ферритостабилизирующего элемента хрома и незначительного повышения углерода в рамках марочного состава (но не выше значения, рекомендуемого для устранения межкристаллитной коррозии 0,05 %) (рис. 4). С целью минимизации количества δ-феррита в структуре и снятия намагниченности проводится аустенизация – выдержка при температуре 1050 °С. Эта температура находится вне расчетного диапазона, однако даже при выдержке в этом интервале ферритная фаза не растворяется Рис. 3. Микроструктура прутка Ø 3 мм из стали марки 12Х18Н10Т после проведения аустенизации Fig. 3. Microstructure of a rod Ø 3 mm made of steel grade 12-Cr18-Ni10-Ti after austenization
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 10 ТЕХНОЛОГИЯ а б в полностью по кинетическим причинам. Остаточные выделения δ-фазы сфероидизируются и уменьшаются в размерах. Сравнение результатов спектрального анализа, металлографических исследований и термодинамического моделирования показывает, что повышенное количество ферритной фазы в стали 12Х18Н10Т соответствует широкому расчетному температурному диапазону его существования (около 200 градусов). В случае сокращенного интервала (100 градусов и менее) наличие феррита минимально и намагниченность незначительная. Однако даже в случае высокотемпературной аустенизации полностью δ-феррит не устраняется. Таким образом, для минимизации появления данного дефекта требуется оптимизация состава по углероду и хрому, а также операция аустенизации. Рис. 4. Зависимость содержания δ-феррита в стали марки 12Х18Н10Т при различных содержаниях, легирующих элементов: а – влияние титана; б – влияние хрома; в – влияние углерода Fig. 4. Dependence of the content of δ-ferrite in steel 12-Cr18-Ni10-Ti at different alloying contents: a – the effect of titanium; б – the effect of chromium; в – the effect of carbon Заключение В рамках выполненной работы проведены подробные исследования причин образования дефектов микроструктуры нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т: межкристаллитной коррозии, мартенситной фазы и δ-феррита. На основе полученных результатов и термодинамических расчетов сформулированы рекомендации по их устранению. Для минимизации количества карбидов хрома Cr23C6 и, следовательно, повышения стойкости стали к межкристаллитной коррозии рекомендуется снижение содержания азота и углерода до 0,05 % методами внепечной обработки жидкого расплава. Необходимо наличие титана в стали не менее 0,3 % в рамках ГОСТ 5632–2014. С целью предотвращения формирования мартенсита в нержавеющей стали при холодной
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 11 TECHNOLOGY деформации (волочении) требуется снижение степени обжатия не более 50 %. Чтобы избежать наличия в структуре избыточной высокотемпературной ферритной фазы, рекомендуется оптимизировать химический состав по хрому и углероду для снижения температурного интервала выделения феррита. Во всех трёх случаях назначается операция аустенизации заготовок в диапазоне температур 1050…1100 °C. Список литературы 1. Урбан Д. Новые хромистые стали для использования в условиях высоких температур // Черные металлы. – 2018. – № 7. – С. 67–68. 2. Features of high-amperage electrolyzer hearth breakdown / V.M. Sizyakov, V.Yu. Bazhin, R.K. Patrin, R.Yu. Feshchenko, A.V. Saitov // Refractories and Industrial Ceramics. – 2013. – Vol. 54. – P. 151–154. 3. High-temperature corrosion performance of austenitic stainless steels type AISI 316L and AISI 321H, in molten solar salt / A. Gomes, M. Navas, N. Uranga, T. Paiva, I. Figueira, T.C. Diamantino // Solar Energy. – 2019. – Vol. 177. – P. 408–419. 4. A computational approach to evaluate the sensitization propensities of UNS S32100 and UNS S34700 stainless steels / R. Ayer, Y. Ro, I. Park, J. Shim, J. Nam, J. Kim // Corrosion 2018. – Phoenix, Arizona, USA, 2018. – P. NACE-2018-10574. – URL: https://onepetro.org/NACECORR/proceedings-abstract/CORR18/ All-CORR18/NACE-2018-10574/125882 (accessed 26.01.2023). 5. Software for modeling brazing process of spacecraft elements from widely used alloys / V. Tynchenko, V. Bukhtoyarov, D. Rogova, A. Myrugin, Y. Seregin, A. Bocharov // 2022 21st International Symposium INFOTEH-Jahorina (INFOTEH), East Sarajevo, Bosnia and Herzegovina. – IEEE, 2022. – P. 1–5. – DOI: 10.1109/ INFOTEH53737.2022.9751246. 6. An electrochemical study on the effect of stabilization and sensitization heat treatments on the intergranular corrosion behaviour of AISI 321H austenitic stainless steel / K. Morshed-Behbahani, P. Najafi sayar, M. Pakshir, M. Shahsavari // Corrosion Science. – 2018. – Vol. 138. – P. 28–41. 7. Feng Z., Zecevic M., Knezevic M. Stress-assisted (γ→ α′) and strain-induced (γ→ ε→ α′) phase transformation kinetics laws implemented in a crystal plasticity model for predicting strain path sensitive deformation of austenitic steels // International Journal of Plasticity. – 2021. – Vol. 136. – P. 102807. 8. Effect of δ-ferrite on the stress corrosion cracking behavior of 321 stainless steel / J. Wang, H. Su, K. Chen, D. Du, L. Zhang, Z. Shen // Corrosion Science. – 2019. – Vol. 158. – P. 108079. 9. Hu D., Li S.L., Lu S. Effects of TIG process on corrosion resistance of 321 stainless steel welding joint // Materials Science Forum. – 2013. – Vol. 749. – P. 173–179. 10. Analysis of the causes of cracks in the production of ingots and forgings from austenitic stainless steel 08Х18Н10Т (AISI 321) / A.D. Davydov, O.O. Erokhina, S.V. Ryaboshuk, P.V. Kovalev // Key Engineering Materials. – 2020. – Vol. 854. – P. 16–22. 11. Analytical review of the foreign publications about the methods of rise of operating parameters of cathode blocks during 1995–2014 / R.Yu. Feshchenko, O.O. Erokhina, A.L. Kvanin, D.S. Lutskiy, V.V. Vasilyev // CIS Iron and Steel Review. – 2017. – Vol. 13. – P. 48–52. 12. Benefi cial effect of reversed austenite on the intergranular corrosion resistance of martensitic stainless steel / C. Man, C. Dong, D. Kong, L. Wang, X. Li // Corrosion Science. – 2019. – Vol. 151. – P. 108–121. 13. Choudhary S. Field experience with chloride stress corrosion cracking of stainless steels below 60° C in condensate stabilization unit // OnePetro. – 2022. – P. SPE-210992-MS. – DOI: 10.2118/210992-MS. 14. Corrosion characteristics of iron-nickel-chromium alloys in molten nitrate salts under isothermal and thermal cycling conditions / Q. Liu, C. Wang, A. Neville, R. Barker, J. Qian, F. Pessu // OnePetro. – 2022. – P. AMPP-2022-17529. – URL: https://onepetro. org/amppcorr/proceedings-pdf/AMPP22/5-AMPP22/ D051S049R002/2724564/ampp-2022-17529.pdf (accessed: 26.01.2023). 15. Ковалюк Е.Н., Горевая М.А., Тумурова В.П. Изучение питтинговой и межкристаллитной коррозии сталей 12Х15Г9НД и 12Х18Н10Т // Коррозия: материалы, защита. – 2014. – № 7. – С. 27–32. 16. Чубуков А.И., Новиков А.В. Исследование стойкости сварных соединений сталей AISI 316TI и 10X17H13M2T и 12X18H10T к межкристаллитной коррозии // Наука в движении: от отражения к созданию реальности: материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Альметьевск, 15 июня 2017 г. – М., 2017. – С. 173–178. 17. Grain orientation dependence of nanoindentation and deformation-induced martensitic phase transformation in neutron irradiated AISI 304L stainless steel / K.S. Mao, C. Sun, Y. Huang, C.-H. Shiau, F.A. Garner, P.D. Freyer, J.P. Wharry // Materialia. – 2019. – Vol. 5. – P. 100208. – DOI: 10.1016/j. mtla.2019.100208. 18. Saied M. Experimental and numerical modeling of the dissolution of δ-ferrite in the Fe-Cr-Ni system:
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1